FR3012820A1 - Agrocombustible solide a partir de matieres organiques et son procede de production - Google Patents

Abstract

La présente invention porte sur un procédé et un système de production d'agrocombustible solide à partir de composés organiques impliquant au moins une étape de production d'énergie sous forme de chaleur par la transformation de matières organiques, et au moins une étape de production d'agrocombustible solide, ladite chaleur produite lors de l'étape de production d'énergie étant partiellement à totalement utilisée lors de l'étape de production d'agrocombustible solide par séchage et granulation desdits composés organiques.

Description

« Agrocombustible solide à partir de matières organiques et son procédé de production » Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui de la valorisation de déchets organiques par la production d'agrocombustible.

Avec la raréfaction et l'augmentation du coût des énergies fossiles, il devient essentiel de développer d'autres sources d'énergie pour satisfaire les besoins croissants de la population. Les problèmes environnementaux liés à ces énergies fossiles ainsi qu'à nos modes de vie impliquent de trouver des alternatives ainsi que des moyens de valoriser nos déchets, dont la quantité générée augmente significativement d'années en années. Les déchets organiques dont la biomasse sont aujourd'hui considérés comme une source conséquente d'énergie 20 potentielle non encore complètement valorisée et exploitée. Les déjections animales constituent une source importante de matière organique notamment dans les régions à forte densité d'élevage. Ces déjections animales peuvent être utilisées dans un procédé de méthanisation. Elles sont 25 insuffisamment exploitées. En particulier, le fumier de cheval composé de crottin de cheval et de litière végétale comme de la paille ou des copeaux de bois présente un potentiel important dans les régions à forte concentration équine. Les déjections animales dont le fumier de cheval peuvent entrer 30 dans la constitution de combustibles de part leur forte teneur en fibres végétales.

Etat de la technique On connaît de l'art antérieur des solutions de valorisation énergétique de la biomasse, notamment par méthanisation et combustion pour la cogénération de chaleur et d'électricité. L'on connaît également des agrocombustibles composés d'un mélange de matières organiques végétales et/ou animales et leur procédé de fabrication. Le brevet FR2953852 décrit un procédé de formulation permettant d'obtenir à partir de la biomasse des granulés combustibles qui satisfont à un cahier des charges prédéfini caractérisé par la mise en oeuvre des étapes suivantes : - recensement des matières premières végétales 15 localement disponibles de façon à sélectionner des composants candidats, - analyse chimique et thermochimique des composants candidats ainsi sélectionnés, - étude des caractéristiques physiques des 20 composants candidats, - établissement d'un tableau récapitulatif des caractéristiques chimiques, thermochimiques et physiques des composants candidats, - sélection à partir du tableau récapitulatif et 25 parmi les composants candidats d'un produit de base renfermant un ou en règle générale au moins deux composant(s) de base susceptible(s) d'être mélangé(s) pour permettre d'obtenir, après granulation, des granulés combustibles qui satisfont au cahier des charges prédéfini, 30 - réglage et optimisation par analyse du tableau récapitulatif de la température de fusion des cendres et de la corrosivité et nocivité des fumées obtenues après combustion de ce produit de base par ajout d'un mélange ou noyau d'additifs minéraux, - optimisation du processus de granulation du mélange produit de base/ noyau minéral, et - essais de contrôle par combustion en vraie grandeur.

Le brevet EP0985723 décrit un combustible solide compacté comprenant du bois et/ou un matériau ligneux comme composants combustibles cellulosiques et du fumier de cheval comme autre composant lequel est mélangé intimement avec les composants cellulosiques. Le brevet FR2591314 propose un procédé et une installation de récupération d'énergie à partir de déchets et résidus. Selon l'invention les résidus après criblage sont soumis à digestion bactérienne dans un réacteur de méthanisation et la phase solide du digestat est ensuite soumise à incinération dans un four alimentant un récupérateur de chaleur, le four étant alimenté en combustible d'appoint par le méthane provenant du digesteur, tandis que le circuit des fumées en aval du récupérateur est utilisé pour réchauffer par au moins un circuit secondaire, le magma en cours de traitement dans le digesteur et/ou les boues séparées du digestat avant leur recyclage vers le digesteur.

Inconvénients de l'art antérieur Les solutions de l'art antérieur ne valorisent pas au maximum les matières premières organiques utilisées pour la 30 fabrication d'agrocombustibles solides ou pour la production d'énergie par méthanisation ou par incinération du digestat. Les solutions de l'art antérieur ne proposent pas d'installation intégrée de valorisation de déchets verts bruts et transformés en un lieu unique, ce qui engendre une consommation excessive d'énergie, carbonée notamment, pour le transfert des matières d'une unité à une autre. Afin d'obtenir des granulés dont la combustion ne 5 génère pas de fumées ou de résidus toxiques, les solutions de l'art antérieur utilisent un traitement chimique impliquant des adjuvants ou des additifs qui ne sont pas écologiques. Les solutions de l'art antérieur n'offrent pas une valorisation optimisée des matières premières organiques, les 10 digestats après méthanisation étant directement épandus sur les surfaces agricoles ou brulés sans étape de traitement supplémentaire. Ceci implique notamment une humidité trop importante des produits qui par conséquent brûlent mal. 15 Solution apportée par l'invention Afin de remédier aux inconvénients de l'art antérieur, l'invention propose dans son acceptation la plus 20 générale un procédé de production d'agrocombustible solide à partir de composés organiques impliquant au moins une étape de production d'énergie sous forme de chaleur par la transformation de matières organiques, et au moins une étape de production d'agrocombustible solide, ladite chaleur 25 produite lors de l'étape de production d'énergie étant partiellement à totalement utilisée lors de l'étape de production d'agrocombustible solide par séchage et granulation desdits composés organiques. 30 Avantageusement, la production d'énergie sous forme de chaleur par la transformation desdites matières organiques est réalisée par incinération, thermolyse ou méthanisation, la méthanisation permettant la production notamment de digestat. On entend par digestat un résidu solide de 35 méthanisation de matières organiques composé de matières organiques non dégradées, telles que des éléments ligneux et cellulosiques, et de minéraux. La méthanisation est préférentiellement anaérobie et permet la production également de biogaz pouvant être directement utilisé comme combustible ou pour produire de la chaleur et de l'électricité par cogénération, conformément à l'invention. La chaleur générée est récupérée et utilisée pour les différentes étapes du procédé selon l'invention ainsi que 10 pour des valorisations autres telles que le chauffage de bâtiments agricoles, industriels ou d'habitation. Selon un mode optionnel néanmoins préféré de réalisation, le procédé de production d'agrocombustible 15 comporte une étape de compostage des matières organiques et/ou du digestat. L'on comprend que le procédé conformément à l'invention comprend au moins une étape de production d'énergie et au moins une étape de production 20 d'agrocombustible solide selon un mode de réalisation. Préférentiellement, le procédé comprend une étape intermédiaire de compostage d'un mélange de digestat et de matières organiques non transformées. Le compost obtenu entre dans la composition des agrocombustibles solides. 25 L'on comprend que l'étape de séchage/granulation pour l'obtention d'un agrocombustible solide implique des intrants consistants en des produits issus de l'étape de production d'énergie, autrement dit du digestat, et/ou des produits issus de l'étape de compostage et/ou des matières 30 premières d'origine organiques telles que de la biomasse non traitée, de préférence des matières végétales. Avantageusement, les composés organiques comprennent des matières organiques, du digestat et/ou du compost, lesdits composés organiques comprenant en outre du bois et/ou du fumier de cheval. Les composés organiques entrant dans la composition des granulés d'agrocombustibles sont non limitativement des 5 déchets verts essentiellement de bois et du compost ou des déchets verts et du digestat ou des déchets verts, du compost et du digestat. La proportion de digestat, de compost ou d'un mélange de digestat et de compost est comprise entre 0,1% et 80%, 0,2% et 50%, 0,4% et 30%, préférentiellement 0,8% et 15% 10 et plus préférentiellement entre 1% et 10%. Idéalement, cette proportion est inférieure à 30%. Avantageusement, le procédé de production d'agrocombustible comporte une étape de production 15 d'électricité à partir de ladite chaleur. Ladite électricité est partiellement à totalement utilisée pour le compostage, le séchage et la granulation desdits composés organiques. L'électricité peut donc être utilisée pour les 20 autres étapes du procédé, être utilisée sur des installations annexes ou réintroduite dans un réseau de distribution d'électricité. L'on comprend que la chaleur provient de la transformation des matières organiques en énergie, notamment 25 par cogénération. La cogénération génère également une chaleur résiduelle qui peut être régénérée pour la production d'électricité. Non limitativement, l'électricité est produite par des moteurs à air chaud, ou des turbines comme des turbines à 30 vapeur ou des turbines à cycle organique de Rankine ou des turbines à couche limite. Avantageusement, les matières organiques sont d'origines animales et/ou végétales, préférentiellement de la biomasse et des déjections animales, et plus préférentiellement de la biomasse et du fumier de cheval. L'on comprend que les matières organiques utilisées peuvent avoir des origines animales, végétales ou domestiques. 5 L'on comprend également que les intrants utilisés dans le procédé conformément à l'invention peuvent être composés d'un mélange contrôlé de biomasse et de déjections animales, et plus préférentiellement d'un mélange de biomasse et de fumier de cheval. Le fumier de cheval est compris comme un mélange de 10 crottin de cheval et de litière végétale telle que non limitativement de la paille ou des copeaux de bois. La présente invention concerne également un système 15 de production d'agrocombustible solide à partir de composés organiques caractérisé en ce qu'il comporte au moins une unité de production d'énergie sous forme de chaleur par la transformation de matières organiques, et au moins une unité de production d'agrocombustible solide, ladite chaleur 20 produite par l'unité de production d'énergie étant partiellement à totalement utilisée par l'unité de production d'agrocombustible solide pour le séchage et la granulation des composés organiques. 25 Selon un mode optionnel néanmoins préféré de réalisation, le système de production d'agrocombustible solide comporte une unité de compostage de matières organiques ou de digestat. L'on comprend que le système conformément à 30 l'invention comprend au moins une unité de production d'énergie telle qu'un incinérateur, un thermolyseur ou un méthaniseur, préférentiellement un méthaniseur, et au moins une unité de séchage/granulation pour la production d'agrocombustible solide selon un mode de réalisation. 35 Préférentiellement, le système comprend une unité intermédiaire de compostage d'un mélange de digestat issu du méthaniseur et de matières organiques non transformées. Le compost obtenu entre dans la composition des agrocombustibles solides.

Un autre aspect de l'invention porte sur un agrocombustible solide comportant des matières organiques et du digestat obtenu par transformation desdites matières organiques et/ou du compost et étant séché, broyé et pressé sous forme de granulés.

L'on comprend que l'agrocombustible se présente sous forme de granulés ou de bâtonnets composés à 100% de produits d'origine végétale ou comportant au maximum 30% de produits issus de déjections animales telles que du fumier de cheval, préférentiellement moins de 15% de fumier et plus préférentiellement moins de 10%. Ces agrocombustibles peuvent être utilisés dans différents types de chaudières et peuvent être couplés à d'autres types de combustibles.

Description L'invention sera mieux comprise à la lumière de ces quatre exemples non limitatifs de réalisation. La figure 1 représente un diagramme de 25 l'installation conformément à l'invention selon un premier exemple de réalisation. La figure 2 représente un diagramme de l'installation conformément à l'invention selon un deuxième exemple de réalisation. 30 La figure 3 représente un diagramme de l'installation conformément à l'invention selon un troisième exemple de réalisation. La figure 4 représente un diagramme de l'installation conformément à l'invention selon un quatrième 35 exemple de réalisation.

Selon un premier mode néanmoins préféré de réalisation, le système, conformément à l'invention, comporte une unité de production d'énergie, une unité de compostage et 5 une unité de granulation. L'unité de production d'énergie est composée d'un méthaniseur alimenté en matières biologiques, préférentiellement de la biomasse à hauteur de 30% additionnée de fumier de cheval à hauteur de 70%. On entend par biomasse 10 une fraction biodégradable de produits, déchets et résidus provenant de l'agriculture, y compris des substances végétales et animales issues de la terre et de la mer, sylviculture et industries connexes ainsi que la fraction biodégradable des déchets industriels et ménagers. Préférentiellement, la 15 méthanisation est réalisée par voie sèche pendant 28 jours à une température comprise entre 35°C et 55°C, préférentiellement entre 37°C et 39°C. La méthanisation de ce mélange produit du digestat et du biogaz, notamment du méthane. La durée de fermentation est de 28 jours environ à 20 39°C. Le biogaz est récupéré. Il est à noter que le biogaz issu de la méthanisation du fumier de cheval donne environ 65% de méthane et 35% de dioxyde de carbone. En mélangeant le fumier de cheval avec d'autres intrants, en 25 moyenne, le taux de méthane d'un biogaz varie de 55 à 60%. Par cogénération, le biogaz permet la production d'électricité et de chaleur. La cogénération est réalisée non limitativement par deux types de moteur, moteur à gaz, ne fonctionnant qu'au biogaz, et moteur dual fioul dont le fonctionnement consiste à 30 utiliser une petite quantité de fioul pour enflammer le mélange air/biogaz. L'électricité peut être utilisée par l'installation en elle-même ou à toute autre fin, comme par exemple être réinjectée dans le réseau général. La chaleur du moteur est récupérée par un échangeur 35 entre l'huile de moteur et un fluide caloporteur. La chaleur des fumées est récupérée par un échangeur air-eau. La température est d'environ 90°C-120°C. La chaleur produite par cogénération du biogaz est pour partie : - recyclée pour la méthanisation, en moyenne 15% - régénérée pour la production d'électricité - acheminée vers l'unité de granulation par un fluide caloporteur - utilisée pour toute autre valorisation comme le chauffage industriel, agricole ou domestique.

Le digestat solide produit lors de l'étape de méthanisation des matières organiques est transporté vers l'unité de compostage par des moyens mécaniques d'acheminement tel qu'un tapis roulant ou un engin mécanique. Le digestat y est mélangé à d'autres matières organiques. Le compost obtenu est transféré dans l'unité de granulation. Optionnellement, le compost peut subir une opération de tri consistant à séparer la fraction ligneuse du reste du compost afin de récupérer cette fraction ligneuse en vue de son incorporation comme l'un des intrants de l'unité de granulation. La dernière étape du procédé conformément à l'invention est le séchage/granulation pour obtenir des granulés d'agrocombustibles solides. Les composés organiques constituants les intrants dans l'unité de granulation sont des matières organiques brutes d'origines végétales, telles que des déchets verts essentiellement de bois, du digestat et/ou du compost, et idéalement une majeure partie voire la totalité de la fraction ligneuse issue de la séparation d'avec le reste du compost. La proportion de digestat ou de compost ou d'un mélange des deux est inférieure à 15%. L'unité de granulation comporte un séchoir pour réduire le taux d'humidité des intrants passant de 50% à 90% de teneur en eau initiale à 10% à 15% de teneur en eau finale. 35 Le séchoir est alimenté par la chaleur de la cogénération à partir du biogaz. La chaleur est apportée par un fluide caloporteur jusqu'à un échangeur à plaque disposé au niveau du séchoir. La perte de la chaleur issue de la cogénération en aval du méthaniseur, est négligeable car les conduites sont bien isolées et il y a très peu de distance entre l'étape de production d'énergie sous forme de chaleur par cogénération et l'unité de production d'agrocombustible solide par séchage et granulation. Le séchoir, par exemple de type sécheur tunnel, a une température d'environ 90°C-120°C. Une fois séchés, les intrants sont broyés puis mélangés pour réduire leur granulométrie. La teneur en humidité est maintenue constante dans une gamme de 10 à 15 %. Deux types de presses peuvent être utilisés. Dans le cas d'une presse à filière plate, les galets tournent sur un disque horizontal de sorte que le produit est pressé à travers les trous de haut en bas. Dans le cas d'une presse à filière circulaire, les galets tournent de sorte que le produit est pressé à travers les trous de l'intérieur vers l'extérieur de cette filière. Ainsi les granulés sont formés suivant les deux techniques. Le volume de la matière est environ réduit par 6 selon l'origine des intrants. D'autre part, la friction résultant doit être assez élevée pour permettre un compactage suffisant du produit pour obtenir un aggloméré dur. La température de friction générée entre le rouleau de pressage et la matrice est supérieure à 80°C. Un granulé continu sort du trou de compression, il est coupé aux longueurs souhaitées par des couteaux qui tournent pour obtenir des bords lisses et diminuer les particules fines. Les granulés d'agrocombustibles sont refroidis puis tamisés pour éliminer les fines avant le stockage et/ou l'ensachage. Les granulés obtenus sont utilisés comme combustibles pour la production d'électricité ou pour le chauffage domestique à l'aide de poêles à granulés ou de 35 chaudières à granulés, des barbecues...

Selon une variante de réalisation de ce premier mode de réalisation du procédé selon l'invention, une étape d'hydrolyse est prévue en amont de la méthanisation afin de casser avant la méthanisation, les liaisons chimiques des matières organiques à méthaniser. Un exemple pour 11 000 tonnes d'intrants pour la méthanisation par voie sèche: Pour 11 000 tonnes d'intrants dans l'étape de méthanisation, à 50% de matière sèche (MS), composés d'environ 70% de fumier de cheval, associé à d'autres déchets organiques à hauteur de 30%, donneront 973 kW primaire de biogaz et du digestat solide dont la teneur en MS est d'environ 23%.

Un moteur à cogénération de 370 kW électriques à 8060 heures permet d'obtenir 2 982 200 kWh électriques à 38% de rendement électrique, réintroduits dans un réseau de distribution d'électricité, et 3 217 700 kWh thermiques à 41% de rendement thermique, utilisés à hauteur de 15% pour le fonctionnement du méthaniseur de l'étape méthanisation (39°C). Une très grande partie de la chaleur restante est utilisée pour le séchage, à une température d'environ 90°C-120°C, des intrants de l'unité de séchage/granulation composés du digestat solide obtenu précédemment et de déchets verts à 40% de MS. Cette étape de séchage permet d'atteindre 85% à 90% de MS, lesquelles sont ensuite broyées puis pressées en granulés à une température d'environ 90°C-100°C. Selon un second mode simplifié de réalisation illustré sur la figure 2, le système conformément à l'invention est semblable à l'exemple précédent de réalisation mais ne comporte pas d'étape de régénération de la chaleur résiduelle issue de la cogénération de la chaleur et d'électricité, à partir du biogaz, pour produire de l'électricité.

Dans un troisième exemple de réalisation, représenté sur la figure 3, l'installation conformément à l'invention est semblable au premier mode de réalisation mais ne comporte pas d'unité de compostage. Le digestat issu de l'unité de méthanisation est directement et pour partie intégré dans les intrants de l'unité de séchage/granulation ou est valorisé par d'autres biais comme l'épandage sur des surfaces agricoles.

Selon un quatrième exemple simplifié de réalisation et illustré sur la figure 4, l'installation est semblable au troisième exemple de réalisation mais ne comporte pas d'étape de régénération de la chaleur résiduelle issue de la cogénération de la chaleur et d'électricité, à partir du biogaz, pour produire de l'électricité.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1- Procédé de production d'agrocombustible solide à partir de composés organiques caractérisé en ce qu'il implique 5 au moins une étape de production d'énergie sous forme de chaleur par la transformation de matières organiques, et au moins une étape de production d'agrocombustible solide, ladite chaleur produite lors de l'étape de production d'énergie étant partiellement à totalement utilisée lors de l'étape de 10 production d'agrocombustible solide par séchage et granulation desdits composés organiques.
2. 2- Procédé de production d'agrocombustible selon la revendication précédente caractérisé en ce que la production 15 d'énergie sous forme de chaleur par la transformation desdites matières organiques est réalisée par incinération, thermolyse ou méthanisation, la méthanisation permettant la production notamment de digestat. 20
3. 3- Procédé de production d'agrocombustible selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comporte une étape de compostage des matières organiques et/ou du digestat.
4. 4- Procédé de production d'agrocombustible selon 25 l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les composés organiques comprennent des matières organiques, du digestat et/ou du compost, lesdits composés organiques comprenant en outre du bois et/ou du fumier de cheval. 30
5. 5- Procédé de production d'agrocombustible selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une étape de production d'électricité à partir de ladite chaleur. 35
6. 6- Procédé de production d'agrocombustible selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que les matières organiques sont d'origines animales et/ou végétales, préférentiellement de la biomasse et des déjections animales, et plus préférentiellement de la biomasse et du fumier de cheval.
7. 7- Système de production d'agrocombustible solide à partir de composés organiques caractérisé en ce qu'il comporte au moins une unité de production d'énergie sous forme de chaleur par la transformation de matières organiques, et au moins une unité de production d'agrocombustible solide, ladite chaleur produite par l'unité de production d'énergie étant partiellement à totalement utilisée par l'unité de production d'agrocombustible solide pour le séchage et la granulation des composés organiques.
8. 8- Système de production d'agrocombustible solide selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comporte une unité de compostage de matières organiques ou de digestat.
9. 9- Agrocombustible solide caractérisé en ce qu'il comporte des matières organiques et du digestat obtenu par transformation desdites matières organiques et/ou du compost, et en ce qu'il est séché, broyé et pressé sous forme de granulés.30